張錕 ZHANG Kun；李偉 LI Wei；桂詩軍 GUI Shi-jun；羅彬 LUO Bin；李樹忱 LI Shu-chen；劉祥坤 LIU Xiang-kun

（①濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250014；②中鐵四局集團第四工程有限公司，濟南 250022；③山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟南 250003）

0 引言

城市地下空間在明挖法施工建設(shè)中，地下連續(xù)墻工藝被廣泛應(yīng)用于基坑支護體系中[1]，同時對地下連續(xù)墻工藝要求也越來越高。在高黏土巖復(fù)合地層等特殊地層地質(zhì)下通過雙輪銑槽機施工地下連續(xù)墻[2]，施工中不可避免出現(xiàn)粘銑刀、糊輪等問題，導(dǎo)致施工功效低、延誤工期；同時普通振動濾砂機對泥漿含砂率降低不明顯，泥水分離難，保證不了循環(huán)漿液的質(zhì)量，降低成槽效率。目前入巖成槽施工技術(shù)研究主要集中在針對地層進行不同工藝選取上面，對于入巖成槽施工配套施工材料和裝備研究較少。

濟南地區(qū)軌道交通R2線施工過程中會遇到高黏復(fù)合地層，底部閃長巖強度高，上部黏土含量較高，存在易糊刀，泥水分離效果差等難題。本文以濟南軌道交通R2線為例，研發(fā)適用于高黏地層地連墻施工適用的粘土分散劑，并研發(fā)配套工藝，通過泥漿循環(huán)過程中增加新型粘土分散劑，降低開挖土體粘附性，減少糊輪等現(xiàn)象的發(fā)生；同時改良泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)，提升循環(huán)泥漿質(zhì)量，提高成槽效率和質(zhì)量，形成一套快速高效入巖成槽施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

濟南地鐵R2線六標(biāo)全長約1.2公里，包含2站1區(qū)間，即歷黃路站、歷黃路站~歷山北路站區(qū)間（明挖區(qū)間）、歷山北路站。標(biāo)段北側(cè)緊靠北園高架、南側(cè)緊鄰沃家莊、梁府莊、張家村等（均為老城區(qū)，房屋年久失修、基礎(chǔ)形式簡單），基坑周邊管線眾多。標(biāo)段圍護結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻，墻身均有入巖要求，且標(biāo)段內(nèi)的巖面淺且強度高，標(biāo)段全長均采用明挖法施工，距離長且深度大。

歷黃路站-歷山北路站區(qū)間長度217.6m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度23.4m，基坑深度19.985m，地勢高差不大，覆土厚度4.175m。區(qū)間主體為地下二層，主體結(jié)構(gòu)為二層三跨框架結(jié)構(gòu)，主體采用明挖法施工，支護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。

1.2 工程地質(zhì)

地連墻施工所處地層情況為：雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石及強中風(fēng)華閃長巖地層。黏土層以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，可見鐵錳質(zhì)氧化物，黏粒含量高，無搖震反應(yīng)，干強度和韌性高，切面光滑，如圖1所示。

圖1 黏土

閃長巖層為中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，可見方解石巖脈，巖芯多呈柱狀，柱長10～25cm，錘擊聲悶，巖芯采取率80%-90%，RQD=50～65，如圖2所示。（圖3、圖4）

圖2 風(fēng)化閃長巖

圖3 地質(zhì)剖面示意圖

圖4 糊輪嚴(yán)重

2 施工重難點分析

穿越地層下部閃長巖強度高，使用普通成槽機開挖比較困難[3]，成槽設(shè)備難以快速貫入和切削，因此針對強度較高巖層，我們選擇雙輪銑槽機進行溝槽開挖[4]；地層上部黏土（多為淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)黏土），地層含泥量高，且受下部泉水的影響，泥水難以分離，攜渣能力差，雙輪銑齒輪易被糊住[5]；循環(huán)泥漿溫度高，不能對刀盤有效降溫，為刀盤結(jié)泥餅糊刀盤提供了條件。

3 高黏土巖復(fù)合地層成槽施工技術(shù)

3.1 新型粘土分散劑研發(fā)與試驗

3.1.1 粘土分散劑研發(fā)

由于地層黏土粘附性較大，當(dāng)使用普通分散劑將粒子分散開后，構(gòu)成的體系不夠穩(wěn)定，一段時間后黏土粒子有可能再次吸附，需要提高表面活性劑的分子量。所以自主研發(fā)的粘土分散劑采用高分子型的陽離子＋非離子復(fù)合而成，高分子型能夠提高吸附層的厚度，有效阻止粒子的再次吸附，提高分散效果。為此自主研發(fā)了分散效果更佳的分散劑，并開展了性能試驗。

該粘土分散劑是一類液態(tài)聚合物粘土分散劑，如圖5，主要成分：表面活性劑2wt%、分散劑8wt%，穩(wěn)定劑0.5wt%，耐磨防腐劑0.5wt%，余量為水。（圖6）

圖5 粘土分散劑

圖6 粘土分散劑作用機理

表面活性劑為兩性表面活性劑，優(yōu)選為甜菜堿型兩性表面活性劑，比如可以為α-烷基甜菜堿、N-烷基甜菜堿的一種或其組合。本發(fā)明的表面活性劑在酸性溶液中呈陽離子性質(zhì)，在中性浴中呈非電離子型性質(zhì)，相對于陰離子型表面活性劑或陽離子型表面活性劑，其能在酸性、中性、堿性等溶液中溶解，不易產(chǎn)生沉淀，能夠潤滑黏土團塊體表面，降低表面張力，且具有較強的滲透能力。

分散劑為脂肪酸鹽類分散劑，比如，所述分散劑可以為硬脂酸鈣、硬脂酸鎂、硬脂酸鋇的一種或其組合。

穩(wěn)定劑為無毒亞磷酸酯，其作用主要是提高溶液的穩(wěn)定性，防止暴露空氣中表面活性劑和分散劑的氧化失效，提高溶液有效成分的長期穩(wěn)定。

耐磨防腐劑為二油酸亞磷酸酯和雙乙酸鈉的組合，其作用是降低改良過程中水和化學(xué)改良劑對刀具的腐蝕，提高刀具的耐磨性和耐久性。

專門用于有糊輪和粘附刀盤危險的含粘土地層，能夠有效降低粘性土對刀盤的粘附作用，提高成槽效率，同時還能降低改良過程中水和化學(xué)改良劑對刀具的腐蝕，提高刀具的耐磨性和耐久性。粘土分散劑所有組成成分綠色安全，對環(huán)境無不良影響，粘土分散劑基本物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 粘土分散劑基本物理參數(shù)

3.1.2 粘土分散劑性能試驗

黏土對金屬的黏附程度一般可通過簡單的粘附性試驗測定，采用霍巴特砂漿攪拌器攪拌改良土，通過黏附留在葉片上的土與試驗用土的質(zhì)量比λ評價土的粘附性。

在實驗室采用類似的試驗方法測定不同程度改良黏土對金屬鉸刀的粘附性（見圖7）。隨著粘土分散劑摻量提高，土體在金屬鉸刀上的留存率降低，黏土和泥巖的黏附程度明顯減弱，8%粘土分散劑摻量留存率＜5%，具有明顯的效果。

圖7 試驗裝置及不同摻量粘土分散劑對粘附性作用效果

通過動態(tài)粘聚力測試系統(tǒng)測定混合土體的轉(zhuǎn)動扭矩和滑動角，試驗時取粘土分散劑摻入比為10%。如圖9所示，其中相同濃度下的普通粘土分散劑作用時刀盤扭矩和滑動角要高于自主研發(fā)的高效粘土分散劑，通過掘進參數(shù)對比可以看出自主研發(fā)的粘土分散劑分散效果更好，更利于黏性地層開挖。（圖8）

圖8 動態(tài)粘聚力測試系統(tǒng)

圖9 兩種粘土分散劑的改良效果對比

3.2 粘土分散劑注入工藝

為使得雙輪銑施工時更好的使粘土分散劑作用于銑刀齒輪，減少泥餅糊刀，研究配套粘土分散劑注入工藝。銑槽時，滾輪相對勻速旋轉(zhuǎn)，滾輪周圍分布有銑刀，對圍巖進行破碎，中間液壓馬達驅(qū)動泥漿泵，通過銑輪旁的吸砂口將鉆掘出的巖渣與泥漿排到地面泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)進行離心式泥水分離，同時增設(shè)管路向泥漿循環(huán)系統(tǒng)添加粘土分散劑，改善泥漿性質(zhì)，同時將改善后的泥漿返回槽內(nèi)，通過增壓泵分出管路分別向兩銑輪噴淋循環(huán)泥漿，沖洗刀齒，防止粘銑刀、糊齒等現(xiàn)象發(fā)生。銑槽過程及分散劑注入工藝如圖10所示。

圖10 銑槽過程中粘土分散劑注入工藝

粘土分散劑通常制成3%水溶液通過管路泥漿循環(huán)系統(tǒng)即可，溶液可根據(jù)不同地質(zhì)條件和實際施工情況進行調(diào)整，通過管路的流量控制閥來調(diào)整粘土分散劑用量。

3.3 泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)研究

地下連續(xù)墻施工時，泥漿能夠起到比較重要的作用，一定重度和黏度的泥漿能夠使槽壁保持相對穩(wěn)定，并具有很好的攜渣能力，將土渣運輸?shù)讲弁?。所以泥漿循環(huán)系統(tǒng)處理能力對成槽效率和質(zhì)量的影響至關(guān)重要。對此研發(fā)一種泥漿除砂率高、處理能力強且封閉環(huán)保的泥漿凈化循環(huán)再生系統(tǒng)。采用寬篩面疊層篩網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)多層篩箱結(jié)構(gòu)、增加大激振力電機形成多電機混列組合（見圖11），形成一種新型振動篩，提高篩選能力。采用多錐旋流器提高分離精度和處理能力，處理效果見圖12。改進渣漿泵，提高構(gòu)件的耐磨性和硬度，使其可長期輸送強磨蝕高濃度的渣漿，泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)整體如圖13所示。

圖11 振動電機

圖12 脫水篩分效果

圖13 泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)整體示意圖

這種系統(tǒng)具有除砂率高、處理能力強且封閉環(huán)保的特點，減少現(xiàn)場施工場地占用和泥漿外泄。從而達到提高施工功效，降低環(huán)境污染，提升經(jīng)濟效益的目的。

4 應(yīng)用效果及效益分析

通過對比新舊泥漿循環(huán)系統(tǒng)分別處理后的泥漿性能，如表2可以看出泥漿高效凈化循環(huán)再生系統(tǒng)對泥漿質(zhì)量的有效提升。

表2 新舊泥漿循環(huán)泥漿處理前后對比

采用本工法施工高黏土巖復(fù)合地層的地下連續(xù)墻與沖樁機+成槽機施工的傳統(tǒng)工法相比，節(jié)約大量工期，形成了較好的經(jīng)濟效益。不同施工方法，工期、成本對比詳見表3。

表3 效益分析表

由效益分析表可以看出，雙輪銑槽機施工工法施工成本相較于沖樁機+成槽機施工工法施工成本節(jié)約了約20%，且縮短工期，優(yōu)勢比較明顯。

5 結(jié)語

在濟南地鐵R2線歷歷區(qū)間地下連續(xù)墻施工過程中，面對高黏土巖復(fù)合地層，采用雙輪銑槽機進行成槽施工，在施工過程使用新型粘土分散劑，并改進泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)，有效解決粘銑刀、糊輪等問題，明顯改善循環(huán)泥漿質(zhì)量。在保障成槽質(zhì)量的情況下明顯提高效率，并有較好的經(jīng)濟效益，對類似地層基坑地下連續(xù)墻施工具有很高的應(yīng)用推廣價值。